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1、太原理工大学硕士研究生学位论文选题计划表研究生姓名： 闫珺 指导教师： 专 业: 电气工程 所属院（所）：电气与动力工程学院 2014年 1月 23 日研究生姓名闫 珺专 业电气工程导师姓名王淑红研究方向电机调速与控制毕业论文题目基于无刷双馈电机间接功率控制的低电压穿越论文类型理论研究应用研究用于生产其它是选题目的和意义：随着电力电子器件制造技术、以及微型计算机和大规模集成电路的飞速发展，交流调速及其系统得到广泛应用。交流电机的不同，繁衍出不同的交流调速系统。在变频调速系统中若采用普通笼型感应电动机，虽然运行可靠、技术成熟，但由于所需变频器的容量大于电机上网额定容量，而变频器的价格一般要高出同
2、容量电机价格的3-4倍。因此，如何降低所需变频器容量，进而降低系统成本成了在更大范围内推广变频调速节能技术的关键所在。近年来，许多国内外学者将目光投向无刷双馈电机(Brushless Doubly-Fed Machine，简写为BDFM），BDFM是一种结构简单、坚固可靠、异同步通用的电机。该电机有两套定子绕组，分别称为功率绕组和控制绕组，功率绕组直接接工频电源，控制绕组通过变频器接至工频电源，转子为笼型和磁阻式结构。无刷双馈电机与普通感应电机相比，由于通过变频器的功率仅占该电机总功率的一部分，因此可大大降低变频器的容量；和普通双馈电机相比，该电机省去了电刷和滑环，提高了系统的可靠性，因此它特
3、别适用于大容量交流变速传动系统和变速恒频恒压的风力、水力发电系统。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制、直接转矩控制、间接转矩控制等方式。无刷双馈风力发电机的间接功率控制策略突破矢量控制通过旋转坐标变换将有功和无功功率进行解耦的控制思想，同样将功率绕组的有功功率和无功功率作为控制目标，根据有功功率和无功功率的实际值与给定值的偏差，由有功功率和无功功率PI调节器的输出，决定所施加的控制绕组电压空间矢量的幅值及相位。其优点在于：在双静止坐标系实现有功和无功的控制，无需旋转坐标变换，简化了系统结构。系统中用到的电机参数仅为两个定子绕组的电阻，因而系统对电机参数的鲁棒性较强。控制系统的内环提供限流
4、保护功能，并可通过PI调节器调节系统的动态性能。和直接转矩控制相比，有效改善了低频时的性能。由于双馈机发电系统的诸多优点，近年来已成为国际研究的热点和方向。特别是对大功率风力发电系统而言，双馈感应电机将占据越来越大的市场份额。双馈感应发电机转子励磁变换器容量较小，电网故障时易出现励磁失控，甚至危害风电机组的核心组件转子励磁变换器。如何在电网出现故障时对双馈感应发电机实行有效控制，以防止发电机定、转子出现冲击电流、转矩突变等问题，造成发电机从电网解列，各国学者纷纷对风电系统的低电压穿越技术开展研究。综上，本课题研究基于无刷双馈电机间接功率控制的低电压穿越具有很大的经济效益和重要的现实意义。国内外
5、研究动态：近五年来，无刷双馈电机的控制性能取得了令人瞩目的进步，交流电机的各种控制方法在无刷双馈电机中得到不同程度的应用。 矢量控制 ，2009年英国剑桥大学的研究团队发表的研究报告中，对控制器的结构进行了详细的理论推导，并给出发电状态有关的实验结果，取得了良好的稳态及动态试验结果。 直接转矩控制，2011年西班牙研究团队发表的研究报告中，对无刷双馈电机的直接转矩控制方法进行了透彻的解析分析，证明了直接转矩控制方法对无刷双馈电机的适用性，试验和理论分析相当吻合。 不足之处是上述方法均需进行坐标旋转变换，使系统结构复杂，且系统性能受到坐标变换精度的影响。 间接转矩控制，该系统采用输出量为连续的P
6、I调节器对转矩和磁链分别进行调节，采用相位和幅值任意可变的合成矢量对逆变器进行控制，使磁链轨迹保持为圆形，电压空间矢量和磁链的变化都可以精确计算出来，是一种连续的控制方法，并且在感应电机变频调速系统取得了良好的控制效果。 直接功率控制是近些年来出现的应用于双馈感应发电机系统的新型控制策略。它并不以控制转子电流为目标，而是通过控制转子磁链的大小和相位，直接对有功和无功进行调控。直接功率控制的本质是标量控制，它允许有功与无功有一定的容差变化范围，避免了矢量控制过程中复杂夫人坐标变换和补偿调节。与矢量控制相比它可简化控制器结构，具有较高的功率因数，实现低谐波干扰，且对电机参数不敏感，鲁棒性强，动态响
7、应快。由于定子有功输出功率由风速决定，无功功率由系统的运行需求决定，因此定子侧输出有功功率、无功功率必须实现解耦控制。主要内容：1.基于TMS320LF2407A DSP软件锁相环程序实现电网频率的检测 无刷双馈电机的转速，功率绕组频率，控制绕组频率，功率绕组极对数和控制绕组极对数满足以下关系式： 目前实验室所用程序中为给定，当用采样转速计算静态角Xst时，并网后有功和无功无法实现闭环，因此需要对电网频率即进行检测来参与运算，使系统并网后有一定的自动调节能力，实现有功功率和无功功率的闭环控制。完成并完善无刷双馈电机间接功率控制系统2.分析电网发生对称故障时的低电压穿越方法 双馈感应发电机定子与
8、电网连接，当电网电压瞬降时，引发发电机定子端电压降落，导致定子磁链改变，从而引起双馈感应发电机转子侧各个物理量发生变化。拟从电网电压跌落时，双馈感应发电机定子磁链的暂态过渡过程入手，分析推导出电网发生三相对称故障时无刷双馈风力发电机的特性，包括功率绕组磁链、控制绕组电流、有功功率、无功功率等的表达式。3.在Matlab中完成无刷双馈电机风力发电系统在电网出现三相对称故障时低电压穿越的仿真模型。实验设计方案：准备工作情况和主要工作措施：准备工作情况：1.学习了基于TMS320LF2407A DSP的控制系统的硬件电路 图1 基于DSP的控制系统平台框图如图所示，DSP控制系统电路包括DSP最小系
9、统、JTAG仿真接口电路、A/D、D/A转换电路等。JTAG仿真接口电路是为了实现在线仿真而设计的，实现调试完成后装载数据、代码的功能； A/D、D/A转换电路实现了电流、电压、转速等数据的数字量和模拟量之间的转换。DSP控制系统的供电电源电路由TPS75233和外围滤波电路组成，复位电路采用专用的复位系列芯片MAX811。控制系统实验平台采用电流、电压霍尔来检测三相交流电流、三相交流侧相电压和直流母线电压。保护电路包括限流起动、过流保护、过压保护、IPM故障保护等。2.学习了汇编语言以及C语言以及有关TMS320LF2407A DSP的理论知识。实验室所用控制程序基于DSP2407并用汇编语
10、言编写，在学习DSP2407的同时，对编程所需的常用汇编语句进行理解和掌握，对DSP2407事件管理器、定时器等部分的设置有了进一步的了解。3.在Matlab中搭建了无刷双馈电机间接功率控制系统的仿真模型。4.学习了无刷双馈电机理论知识，直接转矩控制、间接转矩控制以及间接功率控制等交流变频调速相关基础理论知识，学习了实验室已有的无刷双馈电机直接转矩控制和间接转矩控制的仿真模型。 5.主要工作措施：（1）首先通过学校图书馆现有资源以及各种相关学习网站收集了大量有关无刷双馈电机和间接转矩方面的国内外文献资料，对其进行认真分析，对上几届研究生在无刷双馈电机间接转矩控制系统中所做的一系列仿真与实验进行
11、了继承；（2）学习DSP的软硬件相关知识，并与本课题组同学讨论交流，学习了汇编语言和C语言，对实验室已完成的程序进行分析理解，掌握每部分程序的原理以及作用，在此基础上进行程序的编程；（3）对现有系统的问题进行认真分析，在Matlab中进行仿真并改进，然后进行整体实验调试，研究分析还存在的问题并寻找改进解决的方法。论文进度安排及预期达到研究结果：论文进度安排：2012.9-2012.10： 学习交流变频调速相关知识，重点学习间接转矩控制以及间接功率控制；2012.10-2012.11 ：查阅并研究了无刷双馈电机的相关资料，掌握了有关知识，学习无刷双馈电机相关知识； 2012.11-2012.12
12、：学习交流变频调速相关知识，重点学习间接功率控制系统进行研究；学习使用Matlab/Simulink仿真软件，搭建了无刷双馈电机间接功率控制的仿真模型； 2013.1-2013.2： 学习了基于TMS320LF2407A DSP的无刷双馈电机间接功率控制的硬件控制系统并完成了调试；2013.2-2013.6： 学习研究无刷双馈电机间接功率控制方法，继承掌握实验室已有无刷双馈电机间接转矩控制的仿真模型 2013.7-2013.10： 学习了基于TMS320F2812 DSP的软件锁相换原理及程序，利用软件锁相换来导出电网电压的频率；2013.11-2014.1： 编写验证无刷双馈电机功角特性的程
13、序，并在实验室DSP TMS320LF2407实验平台上进行实验；2014.2-2014.5： 编写基于DSP TMS320LF2407的软件锁相环程序，并在实验室DSP上进行调试测出电网频率；2014.6 -2014.9： 完成并完善间接无刷双馈电机功率控制并网并做到有功和无功的闭环控制；2014.10-2015.1： 推导电网发生三相对称故障时无刷双馈风力发电机的特性，包括功率绕组磁链、控制绕组电流、有功功率、无功功率等的表达式。在Matlab中搭建三相对称故障下的双馈风力发电机低电压穿越模型；2015.2-2015.4: 对已做的工作进行整理、论证，并完成硕士学位论文的撰写、修改；201
14、5.4： 提交学位论文，准备答辩。预期达到研究结果：1.完成并完善无刷双馈电机间接功率控制系统。在系统并网后做到有功功率和无功功率的闭环可调节；2.推导电网发生三相对称故障时无刷双馈风力发电机的特性，包括功率绕组磁链、控制绕组电流、有功功率、无功功率等的表达式；3.在Matlab中搭建三相对称故障下的双馈风力发电机低电压穿越模型；4.编写相关程序，在实验室TMS320LF2407 DSP实验平台上进行实验，在核心期刊上发表相关论文，并完成学位论文。文献综述：（4000字以上，参考文献30篇以上，其中至少10篇外文参考文献）1、概述无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Mach
15、ine，简称BDFM）是由Hunt在上世纪初提出的，但由于当时控制技术的限制，一直未能得到实际应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，使得对无刷双馈电机的控制成为可能。80年代初Wallace等人在无刷双馈电机定子控制绕组上加上频率和电压幅值可调的交流电源，将该电机与控制系统结合组成无刷双馈电机调速系统。这种调速系统的变频电源容量可大大小于电机的额定容量，从而降低了系统的成本，减少了对电力系统的谐波污染；且由于电机本身采用特殊的转子结构，取消了滑环和电刷，调速系统的结构改变后，系统运行的可靠性提高，具有明显的优于传统交流调速系统的技术经济指标，在交流调速驱动中有广阔的应用前景。同时该系统还可以实现变速恒频恒压发电，大范围地调节无功功率，改善电网的功率因数。近几年来，国内外许多学者都把目光投向无刷双馈电机，从而使无刷双馈电机及其系统的研究呈现了新的热潮，促使无刷双馈电机的研究从实验室研究阶段不断的迈向实用化应用阶段。总之，交流调速系统代表了电气传动系统的发展方向，在作为交流调速系统主干研究内容之一的变频调速系统中，无刷双馈调速电机的研究与应用又给变频调速系统的发展提供了一个新的思路，同时也
